JP2010518390A - Method and apparatus for determining the state of charge (SoC) of a rechargeable battery - Google Patents
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Abstract
本発明は、充電式バッテリの充電状態(SoC)を、前記バッテリの起電力(EMF)の関数として定める方法に関する。また、本発明は、充電状態(SoC)とEMFの間の関係を測定する方法に関する。さらに、本発明は、充電式バッテリの充電状態(SoC)を、前記バッテリの起電力(EMF)の関数として求める機器に関する。 The present invention relates to a method for determining a state of charge (SoC) of a rechargeable battery as a function of the electromotive force (EMF) of the battery. The invention also relates to a method for measuring the relationship between state of charge (SoC) and EMF. The invention further relates to a device for determining the state of charge (SoC) of a rechargeable battery as a function of the electromotive force (EMF) of the battery.
Description
本発明は、充電式バッテリの充電状態(SoC)を、前記バッテリの起電力(EMF)の関数として求める方法に関する。また、本発明は、充電状態(SoC)とEMFの間の関係を測定する方法に関する。さらに本発明は、充電式バッテリの充電状態(SoC)を、前記バッテリの起電力(EMF)の関数として求める機器に関する。 The present invention relates to a method for determining the state of charge (SoC) of a rechargeable battery as a function of the electromotive force (EMF) of the battery. The invention also relates to a method for measuring the relationship between state of charge (SoC) and EMF. The invention further relates to a device for determining the state of charge (SoC) of a rechargeable battery as a function of the electromotive force (EMF) of the battery.
正確で信頼性のある充電状態(SoC)を示すことは、充電式バッテリによって給電されるいかなる装置においても、重要な特徴である。正確で信頼性のあるSoCの指示により、ユーザは、利用可能なバッテリ容量全体を利用するようになり、バッテリの消耗を早める不要な充電が防止される。SoC指示用の多くの方法が公表され、特許化されている。基本的に、これらの方法は、2つのグループに分離される。すなわち、H.J.Bergveldらによる書籍の、“バッテリ測定システム−設計およびモデル化”、フィリップスブックシリーズ、vol.1、Kluwer Academic Publishers、2002、第6章に記載されているような、直接測定方式と記帳方式である。 Showing an accurate and reliable state of charge (SoC) is an important feature in any device powered by a rechargeable battery. Accurate and reliable SoC instructions allow users to use the entire available battery capacity and prevent unnecessary charging that will expedite battery drain. Many methods for SoC indication have been published and patented. Basically, these methods are separated into two groups. That is, the direct measurement method and bookkeeping as described in the book by HJ Bergveld et al., “Battery Measurement System-Design and Modeling”, Philips Book Series, vol. 1, Kluwer Academic Publishers, 2002, Chapter 6. It is a method.
直接測定の場合、端子電圧、インピーダンス、電流または温度のようなバッテリ変数が測定され、例えば、参照表(ルックアップテーブル)または関数に基づいて、この測定値が、直接SoC値に変換される。このグループの方法の主な利点は、SoC指示システムがバッテリに接続されると、速やかに測定が開始され、SoCが決定されることである。このグループの方法の主な問題は、参照表または関数に、全ての関連するバッテリ挙動を含めることが極めて難しいことである。これは、ユーザの下では、参照表または関数の状況予測が難しいことを意味し、SoCは、表形式データの内挿または外挿により、得る必要がある。これは、予測されるSoCの精度の低下につながる。 In the case of direct measurement, battery variables such as terminal voltage, impedance, current or temperature are measured, and this measured value is directly converted to a SoC value based on, for example, a look-up table or function. The main advantage of this group of methods is that when the SoC indication system is connected to the battery, the measurement starts immediately and the SoC is determined. The main problem with this group of methods is that it is extremely difficult to include all relevant battery behavior in a lookup table or function. This means that it is difficult for the user to predict the situation of the reference table or function, and the SoC needs to be obtained by interpolation or extrapolation of tabular data. This leads to a decrease in the predicted SoC accuracy.
過去に、フィリップスリサーチは、米国特許第6,420,851号に記載されているように、直接測定によるSoC指示に対して、いわゆる起電力(EMF)が有益なバッテリ変数であることを特許化した。EMFは、正極と負極の平衡電位の差であり、バッテリが平衡状態にあるとき、すなわち、外部電流が流れておらず、それまでの充電/放電電流の印加から、バッテリ電圧が十分に緩和されているとき、バッテリ端子で測定することができる。平衡条件下でバッテリ電圧を測定することにより、測定電圧値は、システム内に保管されたEMF=f(SoC)の関係を介して、SoC値に変換される。この保管曲線は、内挿、外挿、および緩和を含む、いくつかの方法におけるSoC指示システム製造元により、実験室で得ることができる。EMF=f(SoC)の関係の利点は、これにより、バッテリ電圧測定および温度測定に基づいて、平衡の間、SoCの指示が得られることである。しかしながら、この方法は、外部電流通電中、または電流通電後、バッテリ電圧が十分に緩和されるまで、機能しない。この場合、バッテリ端子電圧は、EMFとは等しくないからである。 In the past, Philips Research has patented that so-called electromotive force (EMF) is a useful battery variable for direct measurement SoC indications, as described in US Pat. No. 6,420,851. EMF is the difference between the positive and negative equilibrium potentials. When the battery is in equilibrium, that is, no external current is flowing and the battery voltage is sufficiently relaxed from the previous charging / discharging current application. Can be measured at the battery terminal. By measuring the battery voltage under equilibrium conditions, the measured voltage value is converted to a SoC value via the EMF = f (SoC) relationship stored in the system. This storage curve can be obtained in the laboratory by the SoC instruction system manufacturer in several ways, including interpolation, extrapolation, and relaxation. The advantage of the EMF = f (SoC) relationship is that it provides an indication of the SoC during equilibration based on battery voltage and temperature measurements. However, this method does not work until the battery voltage is sufficiently relaxed during or after energization of the external current. This is because the battery terminal voltage is not equal to EMF in this case.
記帳方式グループの方法は、クーロン計算、すなわちバッテリに流入しバッテリから流出した電流を、できるだけ正確に測定し、正味の電流を積分することを基本としている。この方法では、バッテリが線形容量である場合、良好なSoCの指示が得られる。残念ながら、これは、一般的ではない。例えば、保管電荷は、全ての条件下で、ユーザが利用することができるわけではなく、例えば、拡散限界により、あるいはバッテリが未使用のとき、バッテリの電荷は、自己放電により、ゆっくりと減少する。このバッテリ関連挙動の大部分は、温度およびSoCに大きく依存し、従って、例えばバッテリのSoC指示システムおよび温度に応じて、自己放電が占める計算カウント分を下げることにより、クーロン計算を調整する必要がある。主な利点は、一般に、表形式データの量を、直接測定システムに比べて、少なくすることができることである。主な問題は、(i)システムを常時、バッテリに接続しておく必要があること、(ii)最初の接続の際、システムは、SoCを把握することができないこと(積分の開始時点をプログラム化する必要がある)、(iii)較正点が必要なことである。 The method of the bookkeeping method group is based on coulomb calculation, ie measuring the current flowing into and out of the battery as accurately as possible and integrating the net current. This method provides a good SoC indication when the battery is of linear capacity. Unfortunately, this is not common. For example, the stored charge is not available to the user under all conditions, for example, due to diffusion limitations or when the battery is unused, the charge on the battery slowly decreases due to self-discharge. . Most of this battery-related behavior is highly dependent on temperature and SoC, so the coulomb calculation needs to be adjusted, for example, by reducing the calculation count occupied by self-discharge, depending on the battery SoC indication system and temperature. is there. The main advantage is that the amount of tabular data can generally be reduced compared to direct measurement systems. The main problems are: (i) the system needs to be connected to the battery at all times, (ii) the system cannot grasp the SoC at the first connection (program the integration start point) (Iii) A calibration point is necessary.
前述の知見に基づき、フィリップスリサーチは、SoC指示の方法を開発した。この方法は、適応および予測が可能なシステムを有する、直接測定と記帳方式の利点を組み合わせたものであり、米国特許第6,515,453号に示されている。この方法の主な特徴は、SoC予測は、バッテリがいわゆる平衡状態にあるときは、電圧測定によって、またバッテリが非平衡状態にあるときは、電流測定によって行われることである。平衡の場合、外部電流は、全くあるいはほとんど流れず、バッテリ電圧は、それまでの充電もしくは放電から、完全に緩和した状態にある。前述のように、測定バッテリ電圧は、平衡状態にあるバッテリのEMFと実質的に等しい。従って、EMF法は、これらの条件下で適用することができる。バッテリが非平衡状態にあるとき、バッテリは、充電または放電状態にあり、バッテリから放出され、あるいはバッテリに供給される電荷は、電流積分により計算される。この電荷は、前に計算されたSoC値から差し引かれ、あるいはこれに加えられる。また、本方法は、バッテリ内に依然として残存する電荷量の指標となるSoCの予測に加えて、予め定められた条件下での適用の残運転時間を予測することができる。これは、バッテリ電圧がいわゆる放電完了電圧VEoD未満まで低下するまでに必要な時間を予測することにより行われる。これは、その適用がもはや機能しなくなる最小電圧である。この時間を予測するため、SoCの現在の値、保管されたEMF曲線およびいわゆる過電圧関数に基づき、選定負荷条件に対する、放電完了時のバッテリの過電圧が予測される。バッテリが放電している際、その電圧は、EMF値から過電圧を差し引くことにより、得ることができる。過電圧は、SoC、電流、温度および時間を含むいくつかの因子に依存し、さらに、電極の直列抵抗のような因子にも依存する。この特許化された方法は、国際公開第2005/085889号に記載されているように、バッテリの経年劣化に対処して、パラメータ値を較正し、更新するため、いくつかの方法を後に導入できるように拡張される。最近では、ph.D.プロジェクトの範囲内で、新たな測定方法が得られ、これが公開されている。主に、バッテリ関数のより良い使用のため、すなわちEMF曲線および過電圧の関数について、改良が行われている:V. Pop, H. J. Bergveld, P. H. L. Notten, P. P. L. Regtien、“携帯アプリケーションにおける充電状態指示”、Industrial Electronics(ISIE2005)IEEE国際シンポジウム、vol.3, pp.1007-1012, Dubrovnik, Croatia, June 20-23, 2005;V. Pop, H. J. Bergveld. P. H. L. Notten, P. P. L. Regtien、“携帯アプリケーションにおける小型で正確な充電状態指示”、6th IEEE国際会議、Power Electronics and Drive Systems(PEDS2005)、vol.1, pp.262-267, Kuala Lumpur, Malaysia, Nov.28-Dec. 1, 2005およびV. Pop, H. J. Bergveld. P. H. L. Notten, P. P. L. Regtien、“充電状態指示アルゴリズムのリアルタイム評価システム”、Proceedings of the Joint International IMEKO TC1-TC7 Measurement Science Symposium, vo.1, pp.104-107, Illmenau, Germany, Sept.21-24, 2005。 Based on the aforementioned findings, Philips Research has developed a method for directing SoC. This method combines the advantages of direct measurement and bookkeeping with an adaptive and predictable system and is shown in US Pat. No. 6,515,453. The main feature of this method is that SoC prediction is done by voltage measurement when the battery is in a so-called equilibrium state and by current measurement when the battery is in an unbalanced state. In equilibrium, no or little external current flows and the battery voltage is completely relaxed from the previous charge or discharge. As described above, the measured battery voltage is substantially equal to the EMF of the battery in equilibrium. Therefore, the EMF method can be applied under these conditions. When the battery is in an unbalanced state, the battery is in a charge or discharge state, and the charge released from or supplied to the battery is calculated by current integration. This charge is subtracted from or added to the previously calculated SoC value. In addition to predicting the SoC, which is an indicator of the amount of charge still remaining in the battery, the method can also predict the remaining operating time for application under predetermined conditions. This is done by predicting the time required for the battery voltage to drop below the so-called discharge completion voltage VEoD . This is the minimum voltage at which the application no longer works. To predict this time, based on the current value of the SoC, the stored EMF curve and the so-called overvoltage function, the battery overvoltage at the completion of discharge is predicted for the selected load condition. When the battery is discharged, its voltage can be obtained by subtracting the overvoltage from the EMF value. Overvoltage depends on several factors including SoC, current, temperature and time, and also on factors such as the series resistance of the electrodes. This patented method can later introduce several methods for addressing battery aging, calibrating and updating parameter values, as described in WO 2005/085889. To be expanded. Recently, new measurement methods have been obtained and published within the scope of the ph.D. project. Improvements have been made mainly for better use of the battery function, ie the function of the EMF curve and overvoltage: V. Pop, HJ Bergveld, PHL Notten, PPL Regtien, “State of charge indication in mobile applications”, Industrial Electronics (ISIE2005) IEEE International Symposium, vol.3, pp.1007-1012, Dubrovnik, Croatia, June 20-23, 2005; V. Pop, HJ Bergveld. PHL Notten, PPL Regtien, “Small and Accurate in Mobile Applications Do charge status indication ", 6 th IEEE International conference, Power Electronics and Drive Systems (PEDS2005 ), vol.1, pp.262-267, Kuala Lumpur, Malaysia, Nov.28-Dec. 1, 2005 and V. Pop, HJ Bergveld. PHL Notten, PPL Regtien, “Real-time evaluation system for charging state indication algorithm”, Proceedings of the Joint International IMEKO TC1-TC7 Measurement Science Symposium, vo.1, pp.104-107, Illmenau, Germany, Sept.21 -24, 2005.
前述のSoC指示方法の利点は、電流ステップの印加後に、充電/放電サイクルの間、クーロン計算により得られたSoCが、電圧測定、EMFの適用、および電圧予測方法に基づいて較正されることである。これは、市販の記帳式システムに比べて、有意である。市販の記帳式システムでは、通常、1または2以上の較正点、すなわち通常あまり遭遇しない、「バッテリフル」(充電を定める)および「バッテリエンプティ」(ある条件下で、バッテリ電圧が放電完了電圧未満に低下していることを定める)しか使用されない。換言すれば、提案システムは、既存の記帳式システムよりも高い頻度で較正が行われ、これにより、記帳方式の利点が維持されたまま、より精度が上がる。 The advantage of the SoC indication method described above is that, after the current step is applied, during the charge / discharge cycle, the SoC obtained by Coulomb calculation is calibrated based on voltage measurement, EMF application, and voltage prediction method. is there. This is significant compared to commercially available bookkeeping systems. In commercial bookkeeping systems, typically one or more calibration points, ie, “battery full” (defining charge) and “battery empty” (which, under certain conditions, are less than the discharge completion voltage, are not often encountered. Is only used). In other words, the proposed system is calibrated more frequently than the existing bookkeeping system, which increases the accuracy while maintaining the benefits of the bookkeeping system.
前述のSoC指示システムの別の特徴は、放電条件下での利用可能な残留運転時間が、過電圧の関数として予測できることである。残留運転時間を計算するため、過電圧計算およびEMFモデルにより、放電状態の開始時に、SoC1値が計算される。 Another feature of the aforementioned SoC indication system is that the available remaining operating time under discharge conditions can be predicted as a function of overvoltage. To calculate the remaining operating time, the SoC 1 value is calculated at the beginning of the discharge state by the overvoltage calculation and the EMF model.
SoC指示システムにより、バッテリのEMFおよび過電圧を正確に定めることができることは、重要である。第1の解は、SoC=f(EMF)値を参照表の形態で、保管することであり、これは、V. Pop, H. J. Bergveld, P. H. L. Notten, P. P. L. Regtien、充電状態決定の最新技術、Measurement Science and Tecnology Journal, vol.16, pp.R93-R110, December, 2005に記載されている。参照表は、測定パラメータの一定値が保管され、SoCの指示のために使用される表である。SoC指示システムにおける参照表のサイズおよび精度は、保管値の数に依存する。 It is important that the SoC indication system can accurately determine the EMF and overvoltage of the battery. The first solution is to store the SoC = f (EMF) value in the form of a reference table, which is V. Pop, HJ Bergveld, PHL Notten, PPL Regtien, state-of-the-art state-of-charge determination, Measurement Science and Tecnology Journal, vol.16, pp.R93-R110, December, 2005. The reference table is a table in which constant values of measurement parameters are stored and used for instructions from the SoC. The size and accuracy of the lookup table in the SoC instruction system depends on the number of stored values.
この方法の主な問題は、単一のバッテリ種類であっても、EMF曲線の各点を考慮した、正確なSoC指示システムを提供することは、難しいことである。多くの測定点を含めた場合、この方法は、より複雑となり、他の方法に比べて高額になり、いかなる有意性を提供することもできなくなる。 The main problem with this method is that it is difficult to provide an accurate SoC indication system that takes into account each point of the EMF curve, even for a single battery type. When many measurement points are included, this method becomes more complex, more expensive than other methods, and cannot provide any significance.
別の方法として、Liイオンバッテリ用の物理的なEMF=f(SoC)モデルが、Bergveldらによる書籍に示されている。このモデルのアイデアは、あるEMFおよび温度で、対応するSoCを計算することができることにある。EMF曲線は、直線内挿、直線外挿、または電圧緩和方法によって測定され、数学的なEMF=f(SoC)関数で近似され、インターカレート電極を有するリチウムイオンバッテリのEMFは、正極と負極の間の平衡電位の差としてモデル化される。各SoC値に対してこの関数を用いることにより、EMFが計算される。Bergveldらによって示されたEMF=f(SoC)モデルは、測定されたEMF曲線に対してフィッティングされる。図1には、システムに使用されるモデル化されたEMF曲線を示すが、全ての温度で、得られた測定曲線と、参照バッテリテスタとの間に、良好なフィッティングが得られている。この図には、測定曲線を使用したときと、モデル化EMF曲線を使用した際の、SoC予測の誤差が示されている。 Alternatively, a physical EMF = f (SoC) model for a Li-ion battery is shown in the book by Bergveld et al. The idea of this model is that the corresponding SoC can be calculated at a certain EMF and temperature. The EMF curve is measured by linear interpolation, linear extrapolation, or voltage relaxation methods, approximated by a mathematical EMF = f (SoC) function, and the EMF of a lithium ion battery with intercalating electrodes is positive and negative Modeled as the difference in equilibrium potential between the two. By using this function for each SoC value, the EMF is calculated. The EMF = f (SoC) model shown by Bergveld et al. Is fitted to the measured EMF curve. FIG. 1 shows the modeled EMF curve used in the system, but good fitting is obtained between the measured measurement curve and the reference battery tester at all temperatures. This figure shows the SoC prediction error when using a measurement curve and when using a modeled EMF curve.
図1から、SoCにおける最大誤差は、5℃で約16%のSoCでは、1.2%となることがわかる。しかしながら、前述の方法では、EMF=f(SoC)関係から、EMF測定に基づいて、SoC値を得るには、数学的な反転を行う必要がある。これは、数学的な計算では、SoC計算の精度が低下する可能性があることを意味する。本願に示された方法は、新たなSoC=f(EMF)モデルを提案し、この場合、数学的な反転を行う必要性が排除される。 Figure 1 shows that the maximum error in an SoC is 1.2% for an SoC of approximately 16% at 5 ° C. However, in the above-described method, it is necessary to perform mathematical inversion in order to obtain the SoC value based on the EMF measurement from the EMF = f (SoC) relationship. This means that mathematical calculations can reduce the accuracy of SoC calculations. The method presented here proposes a new SoC = f (EMF) model, in which case the need for mathematical inversion is eliminated.
バッテリ過電圧は、バッテリEMFとバッテリの充電/放電電圧の間の差として定められる。過電圧のため、(放電)充電状態の間、バッテリ電圧は、バッテリEMF電圧よりも(低い)高い。バッテリ過電圧の値は、充電/放電Cレート電流、充電/放電時間、SoC、温度、バッテリ反応、および使用期間(経年劣化度)に依存する。また、過電圧予測により、残留運転時間の予測が可能となる。放電中のバッテリから電流が流れている場合、過電圧が生じる。ある量の容量がバッテリ内に未だ残存していても、ユーザには、バッテリが空に見える。これは、バッテリ電圧が、携帯装置において定められた、放電完了電圧(VEoD)(例えばリチウムイオンバッテリの場合、3V)未満に低下するためである。これは、図2に示されている。図において、この効果を説明するため、残留運転時間trが、水平軸に対してプロットされている。 Battery overvoltage is defined as the difference between battery EMF and battery charge / discharge voltage. Due to overvoltage, the battery voltage is (lower) higher than the battery EMF voltage during the (discharged) charge state. The value of the battery overvoltage depends on the charge / discharge C rate current, the charge / discharge time, the SoC, the temperature, the battery response, and the duration of use (aging). In addition, the remaining operation time can be predicted by overvoltage prediction. When current flows from the discharging battery, overvoltage occurs. Even though a certain amount of capacity still remains in the battery, the battery appears empty to the user. This is because the battery voltage falls below a discharge completion voltage (V EoD ) (for example, 3 V in the case of a lithium ion battery) determined in the portable device. This is illustrated in FIG. In the figure, the residual operating time tr is plotted against the horizontal axis to illustrate this effect.
図2に示すように、放電は、点Aで開始され、バッテリ電圧は、過電圧ηとともに低下する。過電圧は、放電電流Iと温度Tの関数である。この時点では、残留運転時間tr=tiは、以下の式に基づいて計算される: As shown in FIG. 2, discharging starts at point A, and the battery voltage decreases with overvoltage η. The overvoltage is a function of the discharge current I and the temperature T. At this point, residual operating time t r = t i is calculated based on the following formula:
B点では、tr=tsであり、現在のIおよびTの条件下では、残留利用可能容量は、ゼロである。バッテリ電圧が放電完了電圧に到達すると、バッテリは、完全に空になり(図2の点tr=tempty)、過電圧は、ゼロになる。従って、バッテリ内の利用可能な電荷(すなわちSoC)と、ある条件下でバッテリから引き出すことの可能な電荷の間の対比により、残留運転時間が表される。 At point B, t r = t s and under the current conditions of I and T, the remaining available capacity is zero. When the battery voltage reaches the discharge completion voltage, the battery is completely emptied (point t r = t empty in FIG. 2), and the overvoltage is zero. Thus, the remaining operating time is represented by the contrast between the available charge in the battery (ie SoC) and the charge that can be drawn from the battery under certain conditions.
拡張条件範囲、すなわち異なる開始SoC値(SoCst)、Cレート電流、および温度における評価組に対して、前に示したSoCアルゴリズムが実施され、SoCおよび残留運転時間の精度が検証された。評価には、ソニー社製の新たなUS18500G3 Liイオンバッテリを使用した。国際公開第WO-2005085889号に記載の方法を用いた、第1の充電サイクルの間、バッテリ最大容量は、1177mAhであった。表1には、実験結果をまとめて示す。これらの試験に使用された放電Cレート電流および温度T(℃)は、それぞれ、第1列および第2列に示されている。開始時に示された実験のSoC[%]、SoCst、およびSoC1は、それぞれ、第3列および第4列に示されている。第5、6、7、8列は、実験の開始時点での、予測trstp残留運転時間、および測定trstm残留運転時間、実験完了時点での残留運転時間の誤差tre[分]、および残留運転時間trre[分]の相対誤差を表している。実験開始時点での予測残留運転時間(分)は、SoCst[%]、SoC1[%]、最大容量Qmax[mAh]、および放電電流Id[A]で表される(式1および2も参照):
The SoC algorithm shown above was implemented for the extended condition range, ie, the evaluation set at different starting SoC values (SoC st ), C rate current, and temperature, to verify the accuracy of the SoC and remaining operating time. For evaluation, a new US18500G3 Li-ion battery manufactured by Sony was used. During the first charge cycle using the method described in WO-2005085889, the maximum battery capacity was 1177 mAh. Table 1 summarizes the experimental results. The discharge C rate current and temperature T (° C.) used in these tests are shown in the first and second columns, respectively. The experimental SoC [%], SoC st , and SoC 1 shown at the start are shown in the third and fourth columns, respectively. The fifth, sixth, seventh and eighth columns show the predicted t rstp residual operating time at the start of the experiment, and the measured t rstm residual operating time, the error t re [min] of the residual operating time at the end of the experiment, and It represents the relative error of the remaining operation time trre [min]. The estimated remaining operating time (min) at the start of the experiment is expressed as SoC st [%], SoC 1 [%], maximum capacity Q max [mAh], and discharge current I d [A] (
[表1]前述の条件の拡張範囲を参照して、SoCアルゴリズムを用いて得られた結果
表1から、残留運転時間について高い精度を得る上で、EMF=f(SoC)の関係(図1参照)と過電圧の正確なモデル化は、十分ではない。例えば、40.2%のSoCからの放電開始では、0.5℃レート電流、25℃において、残留運転時間は、47.5分であることが示されている。しかしながら、37.3分後には、バッテリは、3Vのレベルに到達した。これは、SoCシステムは、残留運転時間に10.2分の不正確性を示すことを意味する。この例では、残留運転時間trreにおける誤差は、27.3%と計算される(式4参照)。 From Table 1, it is not sufficient to accurately model the relationship between EMF = f (SoC) (see Fig. 1) and overvoltage in order to obtain high accuracy for the remaining operating time. For example, starting discharge from a 40.2% SoC shows a residual operating time of 47.5 minutes at 0.5 ° C rate current and 25 ° C. However, after 37.3 minutes, the battery reached a level of 3V. This means that the SoC system shows 10.2 minutes of inaccuracy in the remaining operating time. In this example, the error in the remaining operation time trre is calculated as 27.3% (see Equation 4).
本発明では、EMF=f(SoC)および過電圧モデルに代わる、高い精度でSoCおよび残留運転時間を指示するための、新たな方法が提案される。 In the present invention, a new method is proposed for indicating the SoC and remaining operating time with high accuracy, replacing the EMF = f (SoC) and overvoltage model.
特に、本発明では、充電式バッテリの充電状態(SoC)を、前記バッテリの起電力(EMF)の関数として求める方法であって、
前記充電式バッテリの前記充電状態(SoC)と前記起電力(EMF)の間のパラメータを含む関数を定めるステップと、
前記起電力(EMF)の関数として、前記充電式バッテリの充電状態(SoC)の複数の値を測定するステップと、
前記測定の結果に、前記関数の前記パラメータをフィッティングするステップと、
メモリに、フィッティングパラメータを含む前記関数を保管するステップと、
前記起電力を求めるステップと、
前記起電力の前記測定値を、前記関数に入れるステップと、
前記充電状態(SoC)を読み取るステップと、
を有する方法が提供される。
In particular, the present invention is a method for determining the state of charge (SoC) of a rechargeable battery as a function of the electromotive force (EMF) of the battery,
Defining a function including a parameter between the state of charge (SoC) and the electromotive force (EMF) of the rechargeable battery;
Measuring a plurality of values of the state of charge (SoC) of the rechargeable battery as a function of the electromotive force (EMF);
Fitting the parameter of the function to the result of the measurement;
Storing the function including fitting parameters in a memory;
Obtaining the electromotive force; and
Putting the measured value of the electromotive force into the function;
Reading the state of charge (SoC);
Is provided.
また、本発明では、充電式バッテリの充電状態(SoC)を、前記バッテリの起電力(EMF)の関数として求める機器であって、
前記バッテリにおける前記充電状態および前記EMFの決定手段と、
前記充電式バッテリの前記充電状態(SoC)と前記起電力(EMF)の間の、パラメータで表現された関係を、保管するように適合されたメモリと、
前記関係のパラメータを適合させる手段と、
を有する機器が提供される。
In the present invention, the state of charge (SoC) of the rechargeable battery is a device that determines the function of the electromotive force (EMF) of the battery,
Means for determining the state of charge and the EMF in the battery;
A memory adapted to store a parameterized relationship between the state of charge (SoC) and the electromotive force (EMF) of the rechargeable battery;
Means for adapting the parameters of said relationship;
Is provided.
この方法および機器では、逆関数に固有の不正確性が回避された、モデル化のための新たな方法が提供される。また、モデルは、パラメータの適合により、測定結果に適合させることができる。この利点は、従来の方法のような数学的反転を使用しないことである。この利点により、方法の適合が容易となり、従来のEMF=f(SoC)法に比べて、携帯用途に容易に利用することができる。 This method and instrument provides a new method for modeling that avoids the inaccuracies inherent in inverse functions. In addition, the model can be adapted to the measurement results by adapting the parameters. The advantage is that it does not use mathematical inversion as in the conventional method. This advantage facilitates method adaptation and can be easily used for portable applications compared to the conventional EMF = f (SoC) method.
従来のSoC指示の方法では、平衡時のEMFモデルにより、正確なSoC計算が得られ、いかなる負荷条件における放電中においても、残留運転時間の正確な計算が可能になる。EMFによりSoCを定め、残留運転時間を予測する方法を利用する場合、SoC=f(EMF)およびSoC1モデルを利用することが最も好ましいと思われる。しかしながら、文献で知られている方法は、EMF計算に数学的反転を利用し、あるいはフルSoC範囲の間の過電圧予測、負荷条件下での電圧測定およびEMFモデル計算による、SoC1の計算を利用する。これは、複雑なシステムの各測定および一部のモデル化により、残留運転時間の精度が低下する点で、問題がある。 In the conventional SoC instruction method, an accurate SoC calculation is obtained by the EMF model at equilibrium, and the remaining operation time can be accurately calculated during discharge under any load condition. When using the method of determining the SoC by EMF and predicting the remaining operation time, it seems most preferable to use SoC = f (EMF) and SoC 1 model. However, methods known in the literature use mathematical inversion for EMF calculations, or use SoC 1 calculations with overvoltage prediction, full voltage measurements under load conditions and EMF model calculations during the full SoC range. To do. This is problematic in that the accuracy of the remaining operating time is reduced by each measurement and some modeling of the complex system.
好ましくは、以下の式が利用され Preferably, the following formula is used:
fxは、
f x is
無次元数x=F(Eo x−EMF)/RT、
Fは、ファラデー定数(96485Cmol-1)、
EMF(V)は、測定起電力値、
Rは、気体定数(8.314J(molK)-1)、
Tは、(周囲)温度(K)、
|x|は、xの絶対値、
sxは、xのサイン、
Eo xは、フィッティングによって得られるパラメータであり、
fzは、
Dimensionless number x = F (E o x −EMF) / RT
F is the Faraday constant (96485 Cmol -1 ),
EMF (V) is the measured electromotive force value,
R is a gas constant (8.314 J (molK) −1 ),
T is the (ambient) temperature (K),
| X | is the absolute value of x,
s x is the sign of x,
E o x is a parameter obtained by fitting,
f z is
無次元数z=F(Eo z−EMF)/RT、
|z|は、zの絶対値、
szは、zのサインである。
Dimensionless number z = F (E o z −EMF) / RT,
| Z | is the absolute value of z,
s z is the sign of z.
SoC=f(EMF)の関係に、温度の影響を含めるため、各モデルパラメータの線形依存性が仮定され、 To include the effect of temperature in the SoC = f (EMF) relationship, the linear dependence of each model parameter is assumed,
Tは、周囲温度であり、
par(Tref)は、温度Trefでの、EMF=f(SoC)のモデルパラメータの一つの値である。Δpar値は、各パラメータpar(Tref)において求められた、温度に対する感度である。
T is the ambient temperature,
par (T ref ) is one value of the model parameter of EMF = f (SoC) at the temperature T ref . The Δpar value is a sensitivity to temperature obtained in each parameter par (T ref ).
この実施例に記載の第2の新たな方法は、バッテリ過電圧の予測、バッテリ電圧の測定、および電流通電条件下でのEMFモデルの使用が不要な、残留運転時間を定める方法であり、これにより、残留運転時間の精度低下が抑制される(表1参照)。 The second new method described in this example is a method for determining the remaining operating time without the need for battery overvoltage prediction, battery voltage measurement, and the use of an EMF model under current-carrying conditions. In addition, a decrease in the accuracy of the remaining operation time is suppressed (see Table 1).
このため、以下に示すような、新たな予測SoC1関数が提案され、 For this reason, a new predictive SoC 1 function has been proposed as shown below.
β[T-1]、δ[T-1]、ならびに無次元数α、γ、ζ、およびυは、測定SoC1データにフィッティングされたパラメータである。
β [T −1 ], δ [T −1 ], and dimensionless numbers α, γ, ζ, and υ are parameters fitted to the measured SoC 1 data.
式9に示すSoC1関数により、A点で放電が開始された後の、B点での残留運転時間を直接予測することが可能となる(図2参照)。関数は、パラメータ組を有し、これは、利用可能なSoC1測定値に対するフィッティングにより得られる。この利点は、(i)SoC1の測定が容易となり(図2参照)、(ii)負荷条件下での過電圧の予測、電圧測定、およびEMFモデル計算が不要となり、(iii)一つの関数で、残留運転時間が直接計算されることである。第1の利点は、特許された残留運転時間指示アルゴリズムを改良する。これにより、より正確なSoC1計算が可能になるからである。第2の利点は、負荷条件下での過電圧予測、電圧測定、およびEMFモデル計算の必要性がなくなることである。第3の利点は、残留運転時間の予測のための測定および計算の数が、従来の残留運転時間予測法に比べて、抑制されることである。 The SoC 1 function shown in Equation 9 makes it possible to directly predict the remaining operating time at point B after discharge starts at point A (see Fig. 2). The function has a parameter set, which is obtained by fitting to available SoC 1 measurements. The advantages are (i) ease of measurement of SoC 1 (see Figure 2), (ii) no need for overvoltage prediction, voltage measurement and EMF model calculation under load conditions, and (iii) one function The remaining operating time is calculated directly. The first advantage improves the patented residual operating time indication algorithm. This is because more accurate SoC 1 calculation is possible. The second advantage is that it eliminates the need for overvoltage prediction, voltage measurement, and EMF model calculations under load conditions. A third advantage is that the number of measurements and calculations for predicting the remaining operation time is suppressed as compared to the conventional remaining operation time prediction method.
正確なSoC指示システムを設計する際の主な問題は、バッテリの劣化過程である。例えば、Liイオンバッテリでは、バッテリの寿命の間、インピーダンスの上昇および/または最大容量の低下により、特性が劣化する。バッテリのインピーダンスおよび最大容量の変化速度は、作動条件に大きく依存する。充電/放電電流の高Cレート、ならびにバッテリの充電中の高温および高電圧レベルでは、これらの2つのバッテリ特性は、急激に変化する。これらの現象を示すため、図3には、放電バッテリ容量(Qd)を、サイクル数の関数として、異なる2つの作動条件に対してプロットした。何れの例においても、放電バッテリ容量は、0.5Cレート電流での完全な放電ステップからのクーロン計算により、予測した。 The main problem in designing an accurate SoC instruction system is the process of battery degradation. For example, in a Li-ion battery, characteristics deteriorate due to an increase in impedance and / or a decrease in maximum capacity during the life of the battery. The rate of change of battery impedance and maximum capacity is highly dependent on operating conditions. At high C rates of charge / discharge current, and high and high voltage levels during battery charging, these two battery characteristics change rapidly. To illustrate these phenomena, FIG. 3 plots discharge battery capacity (Q d ) as a function of cycle number for two different operating conditions. In both examples, the discharge battery capacity was predicted by coulomb calculations from a complete discharge step at 0.5C rate current.
放電容量の低下は、 The decrease in discharge capacity is
図3には、Qdの低下は、作動条件、すなわち充電/放電Cレート電流、充電電圧限界および温度に、大きく依存することが示されている。例えば、Qdl(図3の実線)のバッテリに対する作動条件の間、バッテリは、定電流定電圧(CCCV)法で、25℃において、4.3Vまで充電される。CCステップ中は、4Cレート電流が印加される。図3から、220サイクル後に、Qdlは、675mAhであることがわかる。一方、第1のサイクル後、これは1165mAhである。この例から、220サイクル後には、Qdl値は、第1サイクル後のQdlの値に比べて、約42%まで低下することが予測される。第2のケース(図3の破線)では、バッテリは、0.5Cレート電流、25℃で、約30%から70%のSoCの間に、部分的に充電/放電される。図3から、Qd2は、2000サイクル後に、935mAhの値となるのに対して、第1サイクル後のQd2は、1150mAhであることがわかる。従って、Qd2は、2000サイクル後に、第1のサイクル後のQd2に比べて、19%低下する。 FIG. 3 shows that the decrease in Q d is highly dependent on operating conditions, ie, charge / discharge C-rate current, charge voltage limit and temperature. For example, during operating conditions for a battery of Q dl (solid line in FIG. 3), the battery is charged to 4.3 V at 25 ° C. in a constant current constant voltage (CCCV) method. During the CC step, 4C rate current is applied. FIG. 3 shows that after 220 cycles, Q dl is 675 mAh. On the other hand, after the first cycle, this is 1165 mAh. From this example, after 220 cycles, the Q dl value is expected to drop to about 42% compared to the Q dl value after the first cycle. In the second case (dashed line in FIG. 3), the battery is partially charged / discharged at approximately 0.5% rate current, 25 ° C., between approximately 30% and 70% SoC. From Figure 3, Q d2, after 2000 cycles, whereas a value of 935mAh, Q d2 after the first cycle is found to be 1150 mAh. Therefore, Q d2 is reduced by 19% after 2000 cycles compared to Q d2 after the first cycle.
図3に示した放電容量の低下は、バッテリプロセスの2つの組み合わせの結果、すなわちバッテリインピーダンスの上昇と、バッテリの最大容量の低下の結果であることに留意する必要がある。バッテリインピーダンスの上昇のため、新品のバッテリに比べて、劣化バッテリからの同様の放電Cレート電流の下では、容量の除去はより少なくなる。また、バッテリインピーダンスの上昇は、バッテリSoC1の増加につながることが結論づけられる。バッテリの最大容量の低下により、充電(放電)の間、バッテリにはより少ない容量が保管される(バッテリから除去される)。前述の例は、バッテリの劣化がインピーダンスおよび容量等、多くのバッテリパラメータを含む、複雑な過程であることを示しており、中でも重要な特性は、バッテリの最大容量であると思われる。しかしながら、SoCのより正確な決定のためには、両方のパラメータの変化を考慮する必要がある。 It should be noted that the decrease in discharge capacity shown in FIG. 3 is a result of two combinations of battery processes, namely, an increase in battery impedance and a decrease in the maximum capacity of the battery. Due to the increase in battery impedance, capacity removal is less under similar discharge C-rate current from a degraded battery compared to a new battery. It can also be concluded that an increase in battery impedance leads to an increase in battery SoC 1 . Due to the decrease in the maximum capacity of the battery, less capacity is stored in the battery (removed from the battery) during charging (discharging). The above example shows that battery degradation is a complex process involving many battery parameters such as impedance and capacity, and the most important characteristic seems to be the maximum capacity of the battery. However, changes in both parameters must be taken into account for more accurate determination of the SoC.
前述の知見に基づき、フィリップスリサーチは、米国特許第6,420,851号に記載されているような、適合性があり予測性のあるシステムを用いた、直接測定法と記帳方式の利点を組み合わせた、SoC指示方法を開発した。この方法の主な特徴は、バッテリがいわゆる平衡状態にあるときの電圧測定と、バッテリが非平衡状態にあるときの電流測定とにより、SoCの予測が行われることである。平衡の場合、外部電流は全くまたは僅かしか流れず、バッテリ電圧は、それまでの充電または放電から、完全に緩和された状態にある。前述のように、測定バッテリ電圧は、平衡条件におけるバッテリのEMFと実質的に等しい。従って、EMF法は、これらの条件下で適用することができる。バッテリが非平衡状態にあるとき、バッテリは、充電または放電のいずれかの状態にあり、バッテリから引き出される電荷、あるいはバッテリに供給される電荷は、電流積分により計算される。この電荷は、先に計算されたSoC値から差し引かれ、またはこれに追加される。 Based on the above findings, Philips Research is an SoC instruction that combines the advantages of direct measurement and bookkeeping using a compatible and predictable system as described in US Pat. No. 6,420,851. Developed a method. The main feature of this method is that the SoC is predicted by voltage measurement when the battery is in a so-called equilibrium state and current measurement when the battery is in an unbalanced state. In equilibrium, no or little external current flows and the battery voltage is completely relaxed from the previous charge or discharge. As mentioned above, the measured battery voltage is substantially equal to the battery EMF at equilibrium conditions. Therefore, the EMF method can be applied under these conditions. When the battery is in an unbalanced state, the battery is either charged or discharged, and the charge drawn from or supplied to the battery is calculated by current integration. This charge is subtracted from or added to the previously calculated SoC value.
バッテリの内部に未だ存在する電荷量の指標となるSoCの予測に加えて、この方法では、予め定められた条件下での適用の残留運転時間も予測することができる。これは、バッテリ電圧がいわゆる放電完了電圧(VEoD)未満に低下するまでの時間を予測することにより行われる。これは、そのアプリケーションがもはや機能しなくなる最小電圧である。この時間を予測するため、SoCの現在の値、保管されたEMF曲線およびいわゆる過電圧関数に基づき、選定負荷条件に対する過電圧値が予測される。バッテリが放電している際、その電圧は、EMF値から過電圧を差し引くことにより、得ることができる。過電圧は、SoC、電流、温度および時間を含むいくつかの因子に依存し、さらに、劣化およびバッテリの化学特性のような因子にも依存する。このSoC指示方法は、米国特許第6,420,851号に記載されており、この方法は、国際公開第2005/085889号に記載されているように、後に、バッテリの劣化に対処して、パラメータ値を較正し、更新するため、いくつかの方法を取り入れることができるように拡張される。最近では、ph.D.プロジェクトの範囲内で、新たな測定方法が得られ、これが公開されている。新たな適合的および予測的方法により、ならびにSoC=f(EMF)の関数の逆数およびSoC1をモデル化する新たな方法により、主に、バッテリ関数、すなわちEMF曲線および過電圧の関数のより良い実行からの改良が行われている。 In addition to predicting the SoC, which is an indicator of the amount of charge still present inside the battery, this method can also predict the remaining operating time of the application under predetermined conditions. This is done by predicting the time until the battery voltage drops below the so-called discharge completion voltage (V EoD ). This is the minimum voltage at which the application will no longer function. To predict this time, the overvoltage value for the selected load condition is predicted based on the current value of the SoC, the stored EMF curve and the so-called overvoltage function. When the battery is discharged, its voltage can be obtained by subtracting the overvoltage from the EMF value. Overvoltage depends on several factors including SoC, current, temperature and time, and also on factors such as degradation and battery chemistry. This SoC indication method is described in US Pat. No. 6,420,851, which later calibrates parameter values to deal with battery degradation as described in WO 2005/085889. And it is extended to be able to incorporate several methods for updating. Recently, new measurement methods have been obtained and published within the scope of the ph.D. project. Better execution of battery functions, namely EMF curves and overvoltage functions, mainly through new adaptive and predictive methods, and by reversing the function of SoC = f (EMF) and new methods to model SoC 1 Improvements from have been made.
劣化の影響に対処し、SoCの計算精度を向上するため、国際公開第WO2005/085889号に記載されているような、新たな適合性予測方法が開発された。例えば、この文献に記載されているシステムは、バッテリの最大容量およびバッテリの過電圧モデルパラメータを、劣化の影響を考慮して適合している。この適合性のある方法では、バッテリに完全な充電/放電サイクルを負荷することなく、最大容量が更新される。平衡状態からの開始を仮定すると、バッテリは、電荷のある最大量に対して、充電または放電され、その後、バッテリは、平衡状態に戻り、最大容量は、充電または放電ステップの前後のSoC[%]の差異を、印加充電/放電ステップの間のバッテリからのまたはバッテリへの放電の際の、電荷の絶対量[C]と相関付けることにより、容易に計算される。既存のシステムでは、常時、完全な充電/放電サイクルが印加され、最大利用可能なバッテリ容量が求められる。また、前述の適合性のある方法では、劣化バッテリと新バッテリの間の測定充電過電圧の比(ηch a/ηch f)、ならびに過電圧対称現象が使用され、過電圧モデルパラメータが劣化の影響を有するように適合される。電圧予測方法は、さらに、拡張EMF法および最大容量法を有し、緩和過程の間も有用である。その結果、SoCアルゴリズムの較正および適合性が改善される。 In order to cope with the effects of deterioration and improve the calculation accuracy of SoC, a new compatibility prediction method as described in International Publication No. WO2005 / 085889 has been developed. For example, the system described in this document adapts the maximum battery capacity and battery overvoltage model parameters, taking into account the effects of degradation. In this compatible method, the maximum capacity is updated without loading the battery with a full charge / discharge cycle. Assuming a start from equilibrium, the battery is charged or discharged for a maximum amount of charge, after which the battery returns to equilibrium and the maximum capacity is the SoC [% before and after the charge or discharge step. Is easily calculated by correlating it with the absolute amount of charge [C] during discharge from or to the battery during the applied charge / discharge step. In existing systems, full charge / discharge cycles are always applied and the maximum available battery capacity is required. Also, the above-mentioned compatible method uses the ratio of measured charge overvoltage (η ch a / η ch f ) between the degraded battery and the new battery, as well as the overvoltage symmetry phenomenon, and the overvoltage model parameter affects the degradation. Adapted to have. The voltage prediction method further has an extended EMF method and a maximum capacity method and is useful during the relaxation process. As a result, the calibration and compatibility of the SoC algorithm is improved.
前述のSoCアルゴリズムを用いて、劣化バッテリを、25℃で異なる一定Cレート電流で、完全に放電する一連の試験を実施し、SoCおよび残留運転時間の精度を検証した。従来の方法を用いて、最大容量が1108mAhであり、ηch a/ηch f比の値が1.4であるバッテリを、第1の充電サイクルの間、測定した。表2には、実験結果をまとめて示す(表1参照)。 Using the SoC algorithm described above, we conducted a series of tests to fully discharge a degraded battery at a constant C rate current at 25 ° C, and verified the accuracy of the SoC and remaining operating time. Using a conventional method, a battery with a maximum capacity of 1108 mAh and a value of η ch a / η ch f ratio of 1.4 was measured during the first charge cycle. Table 2 summarizes the experimental results (see Table 1).
[表2]劣化バッテリの従来のSoCアルゴリズムを用いて得られた結果
表2から、25℃、0.1Cレート電流では、放電開始時のSoCの98.2%から、残留運転時間は、577.2分であることが示唆される。しかしながら、バッテリは、595.2分後に、VEoDのレベルに達した。これは、SoCシステムの残留運転時間の精度は、-18.0分であることを意味する。この例では、残留運転時間trreの相対誤差は、-3.0%であることが計算された(式4参照)。表2から、従来のSoCアルゴリズムでは、バッテリパラメータを更新しても、バッテリが劣化すると、残留運転時間に対して、十分な精度を示さないことが確認された。 Table 2 suggests that at 25 ° C, 0.1C rate current, 98.2% of the SoC at the start of discharge, the remaining operating time is 577.2 minutes. However, the battery reached the level of V EoD after 595.2 minutes. This means that the accuracy of the remaining operating time of the SoC system is -18.0 minutes. In this example, the relative error of the remaining operation time trre was calculated to be -3.0% (see Equation 4). From Table 2, it was confirmed that the conventional SoC algorithm did not show sufficient accuracy for the remaining operation time when the battery deteriorated even when the battery parameters were updated.
また、表1において、残留運転時間について高い精度を得るための、EMF=f(SoC)の関係および過電圧の正確なモデル化は、新品のバッテリにおいても、バッテリが部分的に放電される場合、難しいことが示された。この結果、SoC=f(EMF)および充電残留状態(SoC1)の新たな関数が開発された。これらの関数を使用することにより、新品のバッテリに対して得られる残留運転時間の精度が、有意に改善された。しかしながら、図3に関して前述したように、SoC1値は、バッテリの寿命の間、上昇する。バッテリの劣化の間、正確な残留運転時間の計算を可能にするためには、SoC1の変化挙動を考慮する必要がある。 Also, in Table 1, accurate modeling of the relationship of EMF = f (SoC) and overvoltage in order to obtain high accuracy for the remaining operating time is as follows when the battery is partially discharged even in a new battery: It was shown that it was difficult. This resulted in the development of new functions for SoC = f (EMF) and residual charge state (SoC 1 ). By using these functions, the accuracy of the remaining operating time obtained for a new battery was significantly improved. However, as described above with respect to FIG. 3, the SoC 1 value increases during the life of the battery. In order to be able to accurately calculate the remaining operating time during battery degradation, the changing behavior of SoC 1 must be taken into account.
LiイオンバッテリのEMFは、SoC[%]スケール上にプロットしたとき、ある限定的な範囲で、劣化に依存することが考えられる。劣化のEMF依存性を確認するため、新品のバッテリにおいて測定された放電EMF(EMFf)を、25℃で図4に示すバッテリに対して得られたEMFと比較した。正確な比較のため、最初に、国際公開第WO2005085889号に記載の方法を用いて、バッテリの最大容量を把握した。その結果、図3に示すバッテリに対して、5.4%および25.4%の容量ロスが観測された(式10参照)。目を誘導するため、EMFfと、5.4%の容量ロスバッテリで得られたEMF(EMFa5.4%)の間の差異、および25.4%の容量ロスバッテリにおいて得られた値EMFa25.4%との差異を、図5にプロットした。 The EMF of Li-ion batteries can depend on degradation to some extent when plotted on the SoC [%] scale. In order to confirm the EMF dependence of degradation, the discharge EMF measured in a new battery (EMF f ) was compared to the EMF obtained for the battery shown in FIG. 4 at 25 ° C. For accurate comparison, the maximum capacity of the battery was first grasped by using the method described in International Publication No. WO2005085889. As a result, capacity loss of 5.4% and 25.4% was observed for the battery shown in FIG. 3 (see Equation 10). The difference between EMF f and EMF obtained with a 5.4% capacity loss battery (EMF a5.4% ), and the value obtained with a 25.4% capacity loss battery, EMF a25.4%, to induce the eyes The difference is plotted in FIG.
図4および5から、EMFは、劣化によって変化することが示された。EMFfとEMFa5.4%との間の最大差は、2%SoCで、32mVであることが観測された。これは、EMFfのみのモデル化により、劣化の影響を考慮せずにEMFを使用した場合、EMFに基づくSoC指示システムは、実際にSoC値が2.4%のとき、劣化バッテリでは2%のSoC値を示すことを意味する。劣化バッテリで測定された真のSoC値と、新品のバッテリで測定されたSoC値との間の差異によって計算された不正確性は、-0.4%になる。図4および5から、新品のバッテリのEMFと劣化バッテリのEMFの間の差は、劣化とともに増加する。例えば、EMFfとEMFa25.4%とでは、57.4SoCで、-48mVの差異が得られる。これは、EMFfのモデル化のみにより、劣化の影響を考慮せずに得られたEMFを使用すると、EMFに基づくSoC指示システムは、劣化バッテリでは、実際のSoC値が46.9%であるとき、57.4%のSoC値を表示することを意味する。不正確性は、-10.5%になる。 4 and 5 show that EMF changes with deterioration. The maximum difference between EMF f and EMF a5.4% was observed to be 32 mV at 2% SoC. This is because EMF is modeled only by EMF f , and when using EMF without considering the effects of degradation, the SoC instruction system based on EMF is actually 2% SoC for degraded batteries when the SoC value is 2.4%. Means to show a value. The inaccuracy calculated by the difference between the true SoC value measured with a degraded battery and the SoC value measured with a new battery is -0.4%. From FIGS. 4 and 5, the difference between the EMF of the new battery and the EMF of the deteriorated battery increases with deterioration. For example, between EMF f and EMF a25.4% , a difference of -48mV is obtained with 57.4SoC. This is because, by using EMF obtained only by modeling EMF f and without considering the effects of degradation, the SoC instruction system based on EMF, when the actual SoC value is 46.9% in a degraded battery, It means displaying SoC value of 57.4%. The inaccuracy will be -10.5%.
SoC-EMFおよびSoC1劣化依存性を処理する解決法は、SoC-EMFおよびSoC1値を、サイクル数の関数として、参照表の形態で保管することである。参照表は、ここに、測定パラメータの固定値が保管され、バッテリの寿命の間の、SoC-EMFおよびSoC1の変化を表示するために使用される表である。SoC指示システムにおける参照表のサイズおよび精度は、保管された値の数に依存する。この方法の主な問題の一つは、単一のバッテリ種類の場合であっても、正確なSoC指示を提供するための、ユーザによる拡張予測、およびバッテリ寿命の間のバッテリ挙動の予測が難しいことである。参照表による方法では、異なるバッテリ種/化学特性を処理する必要がある場合、他の方法に比べて、プロセスがより複雑になり、高価になり、おそらくいかなる有意な利点も提供することができなくなる。 A solution to deal with SoC-EMF and SoC 1 degradation dependencies is to store SoC-EMF and SoC 1 values as a function of cycle number in the form of a look-up table. The lookup table is a table in which fixed values of measurement parameters are stored and used to display SoC-EMF and SoC 1 changes during battery life. The size and accuracy of the lookup table in the SoC instruction system depends on the number of stored values. One of the main problems with this method is that even with a single battery type, it is difficult for the user to predict the SoC indications and to predict the battery behavior during battery life to provide accurate SoC indications That is. The lookup table method makes the process more complex and expensive compared to other methods when different battery types / chemical properties need to be handled, possibly not providing any significant advantage .
以上まとめると、従来のSoC指示方法の主な問題は、バッテリが劣化した際、SoC1モデル化による放電の間、いかなる負荷条件に対しても、EMFモデル化による正確なSoC計算、および正確な残留運転時間の計算が難しいことである。参照表により、劣化過程を考慮した利用可能な方法において、単純な適合性システムを用いることが、最も魅力的であるように思われる。しかしながら、文献で知られる参照表を使用する現在の方法は、各バッテリ種に対するユーザの拡張予測およびバッテリ挙動の予測が難しく、SoCおよび残留運転時間の予測精度の低下につながるため、問題がある。 In summary, the main problem of the conventional SoC instruction method is that when the battery deteriorates, the SoC 1 modeling accurately discharges the SoC 1 and the accurate SoC calculation and accurate It is difficult to calculate the remaining operation time. With a look-up table, it seems most attractive to use a simple conformance system in an available way considering the degradation process. However, current methods using lookup tables known in the literature are problematic because it is difficult to predict the user's extended prediction and battery behavior for each battery type, leading to reduced prediction accuracy of SoC and remaining operating time.
前述のことを踏まえ、本発明の好適実施例では、充電状態(SoC)とEMFの間の関係を測定する方法が提供され、この方法は、バッテリを低充電状態(SoC)から充電することにより、バッテリの最大容量を定めるステップと、充電状態(SoC)が所定の割合に低下するまで、バッテリを放電するステップと、バッテリを所定の時間、放置するステップと、EMFおよび充電状態(SoC)を求めるステップと、最後の3つのステップをVEODになるまで繰り返すステップと、を有する。 In light of the foregoing, in a preferred embodiment of the present invention, a method for measuring the relationship between state of charge (SoC) and EMF is provided, which method comprises charging a battery from a low state of charge (SoC). Determining the maximum capacity of the battery, discharging the battery until the state of charge (SoC) drops to a predetermined rate, leaving the battery for a predetermined time, and EMF and state of charge (SoC) And obtaining the last three steps until V EOD is reached .
また、好適実施例では、前述のような機器が提供され、当該機器は、さらに、低SoCからバッテリを充電することにより、バッテリの最大容量を求める手段と、所定の割合にSoCが減少するまで、バッテリを放電する手段と、所定の時間バッテリを放置し、EMFおよびSoCを定める手段と、メモリに測定値を代入する手段とを有する。 Also, in a preferred embodiment, a device as described above is provided, and the device further provides a means for determining the maximum capacity of the battery by charging the battery from a low SoC and until the SoC decreases to a predetermined rate. , Means for discharging the battery, means for leaving the battery for a predetermined time to determine the EMF and SoC, and means for substituting the measured value into the memory.
ここで、前述のモデルは、主として、バッテリの劣化の間、EMFとSoCの間の関係を改善するために適合されることに留意する必要がある。 It has to be noted here that the above-mentioned model is mainly adapted to improve the relationship between EMF and SoC during battery degradation.
提案されたEMF適合方法の基本は、電圧緩和モデルと組み合わされた、最大容量および定電流間欠滴定技術(GITT)測定法である。本願では、適合性EMF方法は、以下の測定方法に適用することが考えられる。まず、EMFモデルの正確な適合のため、低SoC値、例えば1%未満のSoCから完全な充電サイクルの間、バッテリの最大容量が定められる。バッテリは、通常の定電流定電圧(CCCV)充電法により、完全に充電され、これは、H. J. Bergveldらの書籍、“バッテリ管理システム−モデル化による設計”、フィリップスリサーチブックシリーズ、vol.1, Kluwer Academic Publishers, 2002, 第6章に記載されている。最大容量は、国際公開第WO2005085889号に記載の方法より計算される。バッテリは、さらに、0.1Cレート電流で、4%SoCのステップに放電される。放電ステップ後には、12時間のレスト時間が続く。レスト期間の終わりに、バッテリは、平衡状態に至る。その結果、対応するSoCを有する、第1のEMF点、EMF1が求められる(図6参照)。放電は、異なる温度でバッテリ電圧がVEoDレベルに到達するまで繰り返される。25℃で4%のSoC放電ステップを使用する、7つのEMF点に対する測定例は、図6に示されている。 The basis of the proposed EMF adaptation method is a maximum capacity and constant current intermittent titration technique (GITT) measurement method combined with a voltage relaxation model. In the present application, the compatible EMF method may be applied to the following measurement method. First, for an accurate fit of the EMF model, the maximum capacity of the battery is determined during a complete charge cycle from a low SoC value, eg, less than 1% SoC. The battery is fully charged by the normal constant current constant voltage (CCCV) charging method, which is described in HJ Bergveld et al., “Battery Management System-Designed by Modeling”, Philips Research Book Series, vol. It is described in Kluwer Academic Publishers, 2002, Chapter 6. The maximum capacity is calculated by the method described in International Publication No. WO2005085889. The battery is further discharged to a 4% SoC step with a 0.1 C rate current. A 12 hour rest time follows the discharge step. At the end of the rest period, the battery reaches equilibrium. As a result, the first EMF point, EMF 1 , having the corresponding SoC is obtained (see FIG. 6). The discharge is repeated at different temperatures until the battery voltage reaches the V EoD level. An example measurement for seven EMF points using a 4% SoC discharge step at 25 ° C. is shown in FIG.
選定Cレート電流、SoCステップおよびレスト期間値は、EMF適合方法の実施を容易にするが、前述の方法は、いかなる特定のCレート電流、放電SoCステップ、またはレスト期間にも限定されず、従って各種条件で作動することが可能である。例えば、長いレスト期間を回避するための代替法では、従来の電圧緩和モデルが使用される。電圧緩和モデルの解析から、15分のレスト期間により、拡張した条件の範囲内で、常時、0.5%SoCよりも良好な精度が得られることが観測されている。このため、15分のレスト期間は、バッテリEMFの正確な適用に、十分であると考えられる。しかしながら、これは、いかなる他の緩和時間を排斥するものでもない。 Although the selected C rate current, SoC step and rest period values facilitate the implementation of the EMF compliance method, the method described above is not limited to any particular C rate current, discharge SoC step, or rest period, and therefore It is possible to operate under various conditions. For example, an alternative method to avoid long rest periods uses a conventional voltage relaxation model. From the analysis of the voltage relaxation model, it has been observed that a 15-minute rest period always gives better accuracy than 0.5% SoC within the extended conditions. For this reason, a 15 minute rest period is considered sufficient for accurate application of battery EMF. However, this does not eliminate any other relaxation time.
25℃で5.4%の容量ロスバッテリに対するEMF適用の例について、さらに検討する。例えば、この例において、放電の間、水平軸に沿って分布する10点のEMF予測点を検討する。レスト期間の最初の15分間において、測定された電圧および時間サンプルは、電圧緩和モデルの入力として取り扱われる。また、この例では、対応するEMF値において、0と100%のSoCレベルを検討する。さらに、曲線形状が考慮された方法を用いて、12のEMF点がフィッティングされる。得られたEMFは、図7に示されている。長期緩和時間によって得られたEMF(GITT方法)との比較を検討した。図8には、電圧予測(Vp)方法の結果の近接度を示すため、GITT法で得られたEMFとVp法によって得られたEMFの間の差をプロットした。 Consider further the example of applying EMF to a 5.4% capacity loss battery at 25 ° C. For example, in this example, consider 10 EMF prediction points distributed along the horizontal axis during discharge. During the first 15 minutes of the rest period, the measured voltage and time samples are treated as input to the voltage relaxation model. In this example, we consider SoC levels of 0 and 100% at the corresponding EMF values. Furthermore, 12 EMF points are fitted using a method that takes into account the curve shape. The resulting EMF is shown in FIG. Comparison with EMF (GITT method) obtained by long-term relaxation time was examined. 8, in order to show the results of the proximity of the voltage prediction (V p) method, were plotted the difference between the EMF obtained by EMF and V p method obtained in GITT method.
図7および8から、1.1%SoCにおいて、最大EMF差は、36mVである。これは、放電EMFに基づいて計算される実際のSoC値は、1.1%であるのに対して、EMF適合法を使用すると、この場合、EMFに基づくSoC指示システムは、1.3%のSoC値を示すことを意味する。不正確性は、0.2%SoCとなる。この影響は、EMF-SoC曲線の平坦領域では、より顕著となり、EMFの差がより小さくても、SoCに大きな誤差が生じる。例えば、約8mVの差異では、67%のSoCが得られる。この場合、EMF適合方法では、1%のSoCの不正確性につながる。図7および8から、新たに開発されたEMF適合法を提供した前述の状況では、劣化バッテリについて新たなEMF曲線を得るため、15分の緩和の後、10点のみの予測EMF点を使用したときでも、常時1%以上のSoCの精度向上が得られることがわかる。EMF適合精度は、電圧緩和モデルに対して長い緩和時間を考慮することにより、あるいはフィッティング法のためより多くのEMF点を考慮することにより、容易に改善される。 From FIGS. 7 and 8, in the 1.1% SoC, the maximum EMF difference is 36 mV. This is because the actual SoC value calculated based on the discharge EMF is 1.1%, while using the EMF adaptation method, in this case, the SoC instruction system based on the EMF produces a SoC value of 1.3% It means to show. The inaccuracy is 0.2% SoC. This effect becomes more prominent in the flat region of the EMF-SoC curve, and a large error occurs in the SoC even if the difference in EMF is smaller. For example, a difference of about 8 mV gives 67% SoC. In this case, the EMF compliance method leads to 1% SoC inaccuracy. From the previous situation, which provided a newly developed EMF calibration method from Figures 7 and 8, only 10 predicted EMF points were used after 15 minutes of relaxation to obtain a new EMF curve for the degraded battery. Sometimes, it can be seen that the SoC accuracy improvement of 1% or more is always obtained. EMF conformance accuracy is easily improved by considering longer relaxation times for the voltage relaxation model or by considering more EMF points due to the fitting method.
本願の第2の新たな方法は、SoC1適合法であり、この方法では、バッテリの劣化過程を考慮して、SoC1モデルのパラメータが適合される。バッテリがVEoDレベルまで放電された後の各時間では、EMF値は、従来の電圧緩和モデルにより、緩和過程の最初の数分で予測することができる。図9には、測定例を示す。この図には、0.1Cレート、25℃での100%SoCからの放電ステップを、VEoDレベルまで適用した後、バッテリ開回路電圧(OCV)にどのような変化が生じるかが示されている。緩和過程の最初の15分間、測定OCV、OCVmに基づいて、予測電圧Vpが比較された。測定は、5.4%の容量ロスバッテリで実施された。 The second new method of the present application is the SoC 1 adaptation method, in which the parameters of the SoC 1 model are adapted in consideration of the battery degradation process. At each time after the battery is discharged to the V EoD level, the EMF value can be predicted in the first few minutes of the relaxation process by a conventional voltage relaxation model. FIG. 9 shows a measurement example. This figure shows what happens to the battery open circuit voltage (OCV) after applying a discharge step from a 100% SoC at a 0.1C rate at 25 ° C to the V EoD level. . The predicted voltage V p was compared based on the measured OCV, OCV m during the first 15 minutes of the relaxation process. Measurements were performed with a 5.4% capacity loss battery.
従って、好適実施例では、前述の種類の方法が提供され、充電または放電過程後の緩和中に採取されたバッテリ電圧の外挿により、バッテリのEMF値を求めることにより、放電過程の完了後、EMF値が予測される。この外挿は、緩和過程の間に採取された変数のみを使用し、バッテリのEMFと充電状態(SoC)の間の所定の関係を用いて、バッテリのEMFから、バッテリの充電状態(SoC)を取得する、外挿モデルに基づく。 Accordingly, in a preferred embodiment, a method of the type described above is provided, and after the completion of the discharge process, by determining the battery's EMF value by extrapolation of the battery voltage taken during relaxation after the charge or discharge process, EMF values are predicted. This extrapolation uses only the variables taken during the mitigation process and uses the predetermined relationship between the battery EMF and the state of charge (SoC) to derive the battery state of charge (SoC) from the battery EMF. Based on an extrapolation model.
図9からわかるように、放電ステップの後、緩和過程の間、バッテリOCVは、EMFと一致しない。バッテリOCVの値は、電流遮断の後、720分後に、3.0Vから、約3.37Vまで変化する。図9から、緩和過程の最初の15分におけるOCV測定に基づいた電圧予測値は、720分後に測定されたEMF値と極めて接近している。この例では、13mVの差が測定されている。予測EMF値は、さらに、前述の適合SoC=f(EMF)モデルに対する入力として得られる。その結果、適用測定放電条件の下、新たなSoC1値を表すSoC[%]値が計算される。この例では、EMFによるSoC値と、VpによるEMFとの比較により、-0.1%のSoC不正確性が計算される。図9およびVEoDレベルになるまでバッテリを放電した後の各時間の前述の状況から、新たなSoC1値は、VpとSoC=f(EMF)の関係により、正確に定められると言える。 As can be seen from FIG. 9, during the relaxation process, the battery OCV does not match the EMF after the discharge step. The value of the battery OCV changes from 3.0V to about 3.37V after 720 minutes after current interruption. From FIG. 9, the predicted voltage value based on OCV measurements in the first 15 minutes of the relaxation process is very close to the EMF value measured after 720 minutes. In this example, a difference of 13 mV is measured. The predicted EMF value is further obtained as an input to the previously described fitted SoC = f (EMF) model. As a result, the SoC [%] value representing the new SoC 1 value is calculated under the applicable measurement discharge conditions. In this example, the SoC value by EMF, by comparison with EMF by V p, -0.1% of SoC inaccuracy is calculated. From the situation described above in FIG. 9 and each time after discharging the battery until it reaches the V EoD level, it can be said that the new SoC 1 value is accurately determined by the relationship between V p and SoC = f (EMF).
以下、図面を参照して、本発明について説明する。 Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.
前述のような新たに提案されたSoC=f(EMF)およびSoC1のモデルは、以前のSoC1指示アルゴリズムに、有意に使用することができる。しかしながら、これは、バッテリのEMFを使用してSoCを求めたり、残留運転時間を指示したりする、いかなるSoCシステムにも、同様に使用することができる。 Newly proposed SoC = f (EMF) and SoC 1 models as described above can be used significantly in previous SoC 1 instruction algorithms. However, it can be used as well for any SoC system that uses battery EMF to determine the SoC or indicate the remaining run time.
図10には、SoC指示システムにおいて、SoC=f(EMF)およびSoC1法を実行する、一般的なブロック図を示す。バッテリ電圧Vbat、電流Ibat、および温度Tbatは、アナログ前処理ユニットより測定され、これは、例えば、フィルタリング処理、増幅、デジタル化を含む。バッテリ変数のデジタル表示は、マイクロコントローラのようなデジタル処理手段に供給される。SoC=f(EMF)およびSoC1法は、EMF法に基づくいかなるSoC指示システムとも同様、このデジタル処理ユニット上でランされる。また、ユニットは、メモリを使用し、これは、外部メモリまたは同じシリコンダイ上に存在するメモリであっても良い。ROMメモリを使用して、EMFまたはSoC1モデルのようなバッテリ特定データを、可能であれば温度の関数として、予め保管しても良い。例えば、測定EMFおよびTサンプルは、RAMメモリに一時的に保管され、EMF曲線は、式5-8に示した形態で、ROM内に保管される。次に、デジタル処理手段は、これらの測定結果を取得し、SoCをモデル化、計算する。同様に、デジタル処理ユニットは、電流、SoC開始、温度測定結果、および保管SoC1モデルに基づいて、残留運転時間を計算する。予測SoCおよび残留運転時間は、ディスプレイを介してユーザに、直接表示されても良く、あるいはデジタルインターフェースを介して、他と通信されても良い。例えば、後者の状況は、図10に示されているデジタル処理手段が、専用SoCおよび残留運転時間指示IC内にある場合に生じ、このICは、SoCおよび残留運転時間データを、携帯装置のホストプロセッサに転送する。 FIG. 10 shows a general block diagram for executing SoC = f (EMF) and SoC 1 method in the SoC instruction system. The battery voltage V bat , current I bat , and temperature T bat are measured from an analog preprocessing unit, which includes, for example, filtering, amplification, and digitization. The digital representation of the battery variable is supplied to digital processing means such as a microcontroller. The SoC = f (EMF) and SoC 1 methods are run on this digital processing unit, like any SoC instruction system based on the EMF method. The unit also uses memory, which may be external memory or memory residing on the same silicon die. Using ROM memory, battery specific data such as EMF or SoC 1 model may be stored in advance as a function of temperature if possible. For example, measured EMF and T samples are temporarily stored in RAM memory, and EMF curves are stored in ROM in the form shown in Equation 5-8. Next, the digital processing means acquires these measurement results, and models and calculates the SoC. Similarly, the digital processing unit calculates the remaining operating time based on the current, SoC start, temperature measurement results, and stored SoC 1 model. The predicted SoC and remaining operating time may be displayed directly to the user via a display or communicated with others via a digital interface. For example, the latter situation occurs when the digital processing means shown in FIG. 10 is in a dedicated SoC and a remaining operating time indication IC, which sends the SoC and remaining operating time data to the mobile device host. Transfer to processor.
3つの温度で、参照バッテリテスタにおいて得られた測定充電/放電EMF曲線に、SoC=f(EMF)関係をフィッティングするため、式5-8が使用される。充電/放電EMF曲線は、従来の電圧緩和法で測定されても良い。図11から、システムを用いたモデル化放電EMF曲線は、全ての温度において、参照バッテリテスタにおいて得られた測定曲線に対して、良好なフィッティングを示すことがわかる。 Equations 5-8 are used to fit the SoC = f (EMF) relationship to the measured charge / discharge EMF curve obtained in the reference battery tester at three temperatures. The charge / discharge EMF curve may be measured by a conventional voltage relaxation method. From FIG. 11, it can be seen that the modeled discharge EMF curve using the system shows a good fit to the measurement curve obtained in the reference battery tester at all temperatures.
図11から、0.8%SoCのSoCにおける最大誤差は、5℃において、約85%SoCであると言える。このため、新たに開発されたSoC=f(EMF)関数は、平衡中のSoC計算において、高い精度を示すと結論づけられる(図1も参照)。SoC1に関する情報を得るため、バッテリは、異なる一定Cレートおよび温度で、異なるSoCstから放電される。放電完了時のSoC値は、SoC1値と見なされる。SoC1値を定める別の可能性は、電圧緩和モデルと、本願に示したSoC=f(EMF)関係とを適用することである。この方法により、電圧緩和曲線の最初の数分間の後、予測されるバッテリ平衡電圧は、本願に示すSoC=f(EMF)関数を用いて、SoC1値に変換される。検証後、前述の方法によって、SoC1値の同様の予測が得られることを観測した。その結果、測定SoC1値は、式9で表されるSoC1モデル用の入力と見なされる。図12には、測定の結果(SoC1m)と、フィッティング(SoC1f)SoC1値の結果が示されている。 From FIG. 11, it can be said that the maximum error in the SoC of 0.8% SoC is about 85% SoC at 5 ° C. For this reason, it can be concluded that the newly developed SoC = f (EMF) function shows high accuracy in the SoC calculation in equilibrium (see also Figure 1). To get information about SoC 1 , the batteries are discharged from different SoC sts at different constant C rates and temperatures. The SoC value at the completion of discharge is regarded as the SoC 1 value. Another possibility to determine the SoC 1 value is to apply the voltage relaxation model and the SoC = f (EMF) relationship shown in this application. In this way, after the first few minutes of the voltage relaxation curve, the predicted battery equilibrium voltage is converted to a SoC 1 value using the SoC = f (EMF) function shown here. After verification, we observed that a similar prediction of the SoC 1 value was obtained by the method described above. As a result, the measured SoC 1 value is considered as an input for the SoC 1 model represented by Equation 9. FIG. 12 shows the measurement result (SoC 1m ) and the fitting (SoC 1f ) SoC 1 value result.
図13には、測定データとフィッティングデータの間の接近性をさらに示すため、測定SoC1値とフィッティングSoC1値の間の差をプロットした。図12および13から、測定データとフィッティングSoC1の間の最大差は、45℃において、0.6%であることがわかった。 In FIG. 13, the difference between the measured SoC 1 value and the fitting SoC 1 value is plotted to further illustrate the accessibility between the measured data and the fitting data. 12 and 13, it was found that the maximum difference between the measured data and the fitting SoC 1 was 0.6% at 45 ° C.
SoCと残留運転時間の精度を証明するため、改良SoCアルゴリズムを用いて、前述のものと同様の試験(表1参照)を実施した。表3には、得られた結果を示す。 To prove the accuracy of the SoC and the remaining operating time, a test similar to the above (see Table 1) was performed using the improved SoC algorithm. Table 3 shows the results obtained.
[表3]拡張条件範囲において得られた改良SoCアルゴリズムによる結果
表3の例では、25℃、0.5Cレート電流で、36.2%のSoC放電の開始時に、システムは、42.6分の残留運転時間を示した。残留運転時間は、式3から計算され、この際に、新たなSoC=f(EMF)およびSoC1法が使用された。42.3分後に、バッテリは、3Vのレベルに達し、残留運転時間において、0.3分の精度が計算された。一方、残留運転時間の相対誤差は、0.7%であった。表3から、新たに開発されたSoC=f(EMF)およびSoC1法では、残留運転時間の予測精度が有意に改善されることがわかった。
In the example in Table 3, at 25 ° C, 0.5C rate current, at the start of 36.2% SoC discharge, the system showed a residual run time of 42.6 minutes. The remaining operating time was calculated from
まとめると、SoCを計算し、残留運転時間を予測する提案された方法は、平衡の間、式5-8のSoC=f(EMF)モデルを使用し、放電の間、クーロン計算に式9のSoC1モデルを組み合わせる。本願に示した結果(表3参照)は、SoCおよび残留運転時間は、1%未満の精度で、予測可能であることを示している。本発明による方法および機器の利点は、以下の通りである:
−バッテリが平衡状態にあるまま、EMFに基づいたSoCの正確な評価ができる、
−平衡の間、従来のEMF=f(SoC)モデルのような、SoCを求める際の数学的な反転が不要である、
−本願のシステムは、SoC計算に加えて、いかなる負荷条件下においても、SoC1法に基づいて、残留運転時間を正確に定めることができる(表3参照)、
−従来の残留運転時間の予測法において必要であった、負荷条件下でのバッテリ過電圧計算、電圧測定、EMFモデル計算は、不要である、
−本願に示した新たなSoC=f(EMF)およびSoC1法は、単純で、バッテリの劣化を考慮するように適合することができる。
In summary, the proposed method of calculating the SoC and predicting the remaining operating time uses the SoC = f (EMF) model of Equation 5-8 during equilibration, and the Coulomb calculation of Equation 9 during discharge. Combine SoC 1 models. The results presented in this application (see Table 3) show that SoC and remaining operating time can be predicted with an accuracy of less than 1%. The advantages of the method and apparatus according to the invention are as follows:
-Accurate evaluation of SoC based on EMF while the battery is in equilibrium,
-During equilibration, no mathematical inversion is required when determining the SoC, such as the traditional EMF = f (SoC) model,
-The system of the present application can accurately determine the remaining operation time based on the SoC 1 method under any load conditions in addition to the SoC calculation (see Table 3).
-Battery overvoltage calculation under load conditions, voltage measurement, and EMF model calculation, which are necessary in the conventional prediction method of remaining operating time, are unnecessary.
-The new SoC = f (EMF) and SoC 1 methods presented here are simple and can be adapted to account for battery degradation.
前述のように、新たに提案されたSoC-EMFおよびSoC1適合システムは、従来のSoC指示アルゴリズムに有意に使用することができる。しかしながら、これは、バッテリのEMFを用いてSoCを定めたり、残留運転時間を指示したりする、いかなるSoCシステムに使用することも可能である。図14には、SoC指示システムにおいて、SoC-EMFおよびSoC1適合方法を実行する、一般的なブロック図が示されている。 As mentioned above, the newly proposed SoC-EMF and SoC 1 compatible system can be used significantly in conventional SoC instruction algorithms. However, it can be used for any SoC system that uses battery EMF to define the SoC and indicate the remaining run time. FIG. 14 shows a general block diagram for executing the SoC-EMF and SoC 1 adaptation method in the SoC instruction system.
SoC値は、バッテリが平衡にあるとき、バッテリ電圧(Vbat)および温度(Tbat)の測定、ならびに保管されたSoC-EMFモデル(SoC-EMFm)により、計算される。電流通電条件の間、残留運転時間値は、バッテリ電流(Ibat)および温度測定、ならびにSoC1モデルSoC1mにより、計算される。SoC-EMFmとSoC1mは、一組のパラメータ、par1,…,parnを有し、これは、バッテリが劣化した際に更新され、より正確なバッテリSoCおよび残留運転時間の計算が可能になる。各電流遮断の後、新たな組のバッテリ変数VbatおよびTbatが測定され、SoC適合および予測アルゴリズムは、新たなEMF(SoC-EMFm es)およびSoC1(SoC1m es)値を予測する。これらの予測値は、例えばEEPROMのようなメモリに保管される。この過程は、電流遮断の後、任意回数だけ繰り返される。予測サンプルは、さらに、適合ユニットに供給され、このユニットは、SoCおよび残留運転時間の計算に使用される、SoC-EMFmおよびSoC1mのパラメータ組par1,…,parnの更新を決定する(図14参照)。適合アルゴリズムに、いかなる最適化アルゴリズムを使用しても良く、この各種例は、公開文献に示されている。本願に記載の適合システムの実施により、この構成は、いかなるVbatおよびTbatの値で行われても良いことに留意する必要がある。 The SoC value is calculated by measuring the battery voltage (V bat ) and temperature (T bat ) and the stored SoC-EMF model (SoC-EMF m ) when the battery is in equilibrium. During current-carrying conditions, the remaining operating time value is calculated by the battery current (I bat ) and temperature measurements, and the SoC 1 model SoC 1m . SoC-EMF m and SoC 1m have a set of parameters, par 1 , ..., par n , which are updated as the battery degrades, allowing more accurate battery SoC and remaining operating time calculations become. After each current interruption, a new set of battery variables V bat and T bat are measured and the SoC calibration and prediction algorithm predicts new EMF (SoC-EMF m es ) and SoC 1 (SoC 1 m es ) values . These predicted values are stored in a memory such as an EEPROM. This process is repeated an arbitrary number of times after the current interruption. The prediction sample is further fed to a calibration unit, which determines the update of the SoC-EMF m and SoC 1m parameter sets par 1 ,..., Par n that are used to calculate the SoC and remaining operating time. (See Figure 14). Any optimization algorithm may be used as the adaptation algorithm, examples of which are shown in the published literature. It should be noted that this configuration may be performed with any value of V bat and T bat , depending on the implementation of the adaptation system described herein.
SoCおよび残留運転時間の精度を確認するため、25℃、異なる一定Cレート電流で、適合SoCアルゴリズムを用いて、部分バッテリ放電を含む新たな組の試験を実施した。これらの試験の間、5.4%の容量ロスバッテリが選定された。また、拡張条件範囲において、SoC=f(EMF)関係およびSoC1に対するモデル化の精度と適合性とによって、残留運転時間に高い精度が得られることを検証するため、部分放電バッテリについて検討した。これは、新品のバッテリであっても、部分的放電条件の下での残留運転時間の結果が不正確になる、従来のアルゴリズムと比較すると、有意である。表4には、得られた結果を示す(表1と比較参照)。 To confirm the accuracy of the SoC and remaining operating time, a new set of tests including partial battery discharge was performed using a compatible SoC algorithm at 25 ° C and different constant C rate currents. During these tests, a 5.4% capacity loss battery was selected. In addition, in order to verify that high accuracy can be obtained in the remaining operation time based on the SoC = f (EMF) relation and modeling accuracy and suitability for SoC 1 in the extended condition range, a partial discharge battery was examined. This is significant when compared to conventional algorithms where even a new battery results in inaccurate residual operating time under partial discharge conditions. Table 4 shows the results obtained (see comparison with Table 1).
[表4]劣化バッテリに対して得られた適合SoCアルゴリズムの結果
表4から、25℃の0.10Cレート電流で、20.1%のSoCから実施される放電開始時には、システムは、110.8分の残留運転時間を示した。本願に示す適合システムを用いて、SoC-EMFおよびSoC1モデル用の新たなパラメータ値を得た後、残留運転時間を式3により計算した。108.8分の後、バッテリは、3Vのレベルに達し、残留運転時間の精度は、2.0分であり、相対誤差は、1.8%と計算された。表4から、新たに開発した適合システムでは、劣化バッテリの残留運転時間の予測性が向上することが示された。
From Table 4, the system showed a residual operating time of 110.8 minutes at the start of a discharge performed from a 20.1% SoC with a 0.10C rate current at 25 ° C. After obtaining new parameter values for the SoC-EMF and SoC 1 models using the calibration system shown in this application, the remaining operating time was calculated by
本発明は、携帯バッテリ給電機器に適用することができ、特に、Liイオンバッテリに限定されるものではない。本発明は、少なくとも一部がEMF法に基づいた、SoC指示アルゴリズムと組み合わせて使用することができ、バッテリの劣化中においても、バッテリSoCの正確な予測が可能になる。フィリップスリサーチの初期の特許には、バッテリの劣化過程を考慮して、EMFおよびSoC1法を適合させるというアイデアは、含まれていない。充電式リチウムイオンバッテリで給電される携帯装置の各種例は、フィリップス組織内、および組織外で、認めることができる。 The present invention can be applied to portable battery power supply devices, and is not particularly limited to Li-ion batteries. The present invention can be used in combination with an SoC indication algorithm, at least in part based on the EMF method, and allows accurate prediction of a battery SoC even during battery degradation. The earlier Philips Research patents do not include the idea of adapting EMF and SoC 1 methods to account for battery degradation processes. Various examples of portable devices powered by a rechargeable lithium ion battery can be recognized both inside and outside the Philips organization.
Claims (22)
前記充電式バッテリの前記充電状態(SoC)と前記起電力(EMF)の間のパラメータを含む関数を定めるステップと、
前記起電力(EMF)の関数として、前記充電式バッテリの充電状態(SoC)の複数の値を測定するステップと、
前記測定の結果に、前記関数の前記パラメータをフィッティングするステップと、
メモリに、フィッティングパラメータを含む前記関数を保管するステップと、
前記起電力を求めるステップと、
前記起電力の前記測定値を、前記関数に入れるステップと、
前記充電状態(SoC)を読み取るステップと、
を有する方法。 A method for determining a state of charge (SoC) of a rechargeable battery as a function of the electromotive force (EMF) of the battery,
Defining a function including a parameter between the state of charge (SoC) and the electromotive force (EMF) of the rechargeable battery;
Measuring a plurality of values of the state of charge (SoC) of the rechargeable battery as a function of the electromotive force (EMF);
Fitting the parameter of the function to the result of the measurement;
Storing the function including fitting parameters in a memory;
Obtaining the electromotive force; and
Putting the measured value of the electromotive force into the function;
Reading the state of charge (SoC);
Having a method.
fxは、
無次元数x=F(Eo x−EMF)/RT、
Fは、ファラデー定数(96485Cmol-1)、
EMF(V)は、測定起電力値、
Rは、気体定数(8.314J(molK)-1)、
Tは、(周囲)温度(K)、
|x|は、xの絶対値、
sxは、xのサイン、
Eo xは、フィッティングによって得られるパラメータであり、
fzは、
無次元数z=F(Eo z−EMF)/RT、
|z|は、zの絶対値、
szは、zのサインであることを特徴とする請求項1に記載の方法。 The function is
f x is
Dimensionless number x = F (E o x −EMF) / RT,
F is the Faraday constant (96485 Cmol -1 ),
EMF (V) is the measured electromotive force value,
R is a gas constant (8.314 J (molK) −1 ),
T is the (ambient) temperature (K),
| X | is the absolute value of x,
s x is the sign of x,
E o x is a parameter obtained by fitting,
f z is
Dimensionless number z = F (E o z −EMF) / RT
| Z | is the absolute value of z,
2. The method of claim 1, wherein s z is a sign of z.
前記測定結果は、測定が行われた前記複数の温度とともに保管され、
以下の関数のパラメータフィッティングが行われ、
par(T)=par(Tref)+(T−Tref)Δpar
ここで、Trefは参照温度(例えば25℃)であり、
Tは、周囲温度であり、
par(Tref)は、温度Trefにおいて、請求項2に記載の前記関数に組み込まれたSoC=f(EMF)モデルパラメータの一つの値であり、
Δparは、前記測定結果に対して、各パラメータpar(Tref)において求められた、温度に対する感度であることを特徴とする請求項2に記載の方法。 The measurement is repeated at least once at a temperature different from the temperature during the previous measurement;
The measurement result is stored together with the plurality of temperatures at which the measurement was performed,
The following function parameter fitting is performed,
par (T) = par (T ref ) + (T−T ref ) Δpar
Where T ref is the reference temperature (eg 25 ° C.)
T is the ambient temperature,
par (T ref ) is one value of the SoC = f (EMF) model parameter embedded in the function of claim 2 at temperature T ref ;
3. The method according to claim 2, wherein Δpar is a sensitivity to temperature obtained for each parameter par (T ref ) with respect to the measurement result.
前記残留時間は、前記充電状態(SoC)から、
SoCst[%]は、Cレート電流Cおよび温度T[℃]での放電開始時のSoCを表し、
β[T-1]、δ[T-1]、ならびに無次元数α、γ、ζ、およびυは、測定SoC1データにフィッティングされたパラメータであることを特徴とする方法。 A method for determining a remaining operating time of a rechargeable battery by performing the method of claim 1, 2, or 3 to determine the state of charge (SoC),
The remaining time is determined from the state of charge (SoC).
SoC st [%] represents the SoC at the start of discharge at C rate current C and temperature T [° C]
β [T −1 ], δ [T −1 ], and dimensionless numbers α, γ, ζ, and υ are parameters fitted to the measured SoC 1 data.
前記バッテリを、低充電状態(SoC)から充電することにより、前記バッテリの最大容量を定めるステップと、
前記充電状態(SoC)が所定の割合に低下するまで、前記バッテリを放電するステップと、
所定の時間、前記バッテリを放置するステップと、
VEODに到達するまで、前記最後の3つのステップを繰り返すステップと、
を有する方法。 A method for measuring a relationship between the state of charge (SoC) and the EMF, wherein the method is used in the method according to any one of claims 1 to 4.
Determining the maximum capacity of the battery by charging the battery from a low state of charge (SoC);
Discharging the battery until the state of charge (SoC) drops to a predetermined rate;
Leaving the battery for a predetermined time;
Repeating the last three steps until V EOD is reached;
Having a method.
前記外挿は、前記緩和過程中に採取された変数のみを用いた外挿モデルに基づき、行われることを特徴とする請求項5乃至9のいずれか一つに記載の方法。 The EMF is determined by extrapolation of the battery voltage taken during relaxation after the discharge process,
10. The method according to any one of claims 5 to 9, wherein the extrapolation is performed based on an extrapolation model using only variables collected during the relaxation process.
前記外挿は、前記緩和過程において採取された変数のみを用いた外挿モデルに基づいており、
前記バッテリのEMFと充電状態(SoC)の間の所定の関係を用いることにより、前記バッテリの前記EMFから、前記バッテリの前記充電状態(SoC)が得られることを特徴とする請求項11に記載の方法。 After completion of the discharge process, the EMF value is predicted by determining the EMF of the battery by extrapolating the battery voltage taken during the relaxation process after the discharge process,
The extrapolation is based on an extrapolation model using only variables collected in the relaxation process,
12. The state of charge (SoC) of the battery is obtained from the EMF of the battery by using a predetermined relationship between the EMF and state of charge (SoC) of the battery. the method of.
前記バッテリにおける前記充電状態および前記EMFの決定手段と、
前記充電式バッテリの前記充電状態(SoC)と前記起電力(EMF)の間の、パラメータで表現された関係を、保管するように適合されたメモリと、
前記関係のパラメータを適合させる手段と、
を有する機器。 A device for determining a state of charge (SoC) of a rechargeable battery as a function of the electromotive force (EMF) of the battery,
Means for determining the state of charge and the EMF in the battery;
A memory adapted to store a parameterized relationship between the state of charge (SoC) and the electromotive force (EMF) of the rechargeable battery;
Means for adapting the parameters of said relationship;
Having equipment.
fxは、
無次元数x=F(Eo x−EMF)/RT、
Fは、ファラデー定数(96485Cmol-1)、
EMF(V)は、測定起電力値、
Rは、気体定数(8.314J(molK)-1)、
Tは、(周囲)温度(K)、
|x|は、xの絶対値、
sxは、xのサイン、
Eo xは、フィッティングによって得られるパラメータであり、
fzは、
無次元数z=F(Eo z−EMF)/RT、
|z|は、zの絶対値、
szは、zのサインであることを特徴とする請求項13に記載の機器。 The function is
f x is
Dimensionless number x = F (E o x −EMF) / RT,
F is the Faraday constant (96485 Cmol -1 ),
EMF (V) is the measured electromotive force value,
R is a gas constant (8.314 J (molK) −1 ),
T is the (ambient) temperature (K),
| X | is the absolute value of x,
s x is the sign of x,
E o x is a parameter obtained by fitting,
f z is
Dimensionless number z = F (E o z −EMF) / RT,
| Z | is the absolute value of z,
14. The device according to claim 13, wherein s z is a sign of z.
以下の関係の計算を実行する手段を有し、
β[T-1]、δ[T-1]、ならびに無次元数α、γ、ζ、およびυは、測定SoC1データにフィッティングされたパラメータであることを特徴とする機器。 A device for determining the remaining operating time of a rechargeable battery,
Having means for performing the following relationship calculations:
β [T -1 ], δ [T -1 ], and dimensionless numbers α, γ, ζ, and υ are parameters fitted to the measured SoC 1 data.
さらに、
低いSoCから前記バッテリを充電することにより、前記バッテリの最大容量を定める手段と、
前記SoCが所定の割合に低下するまで、前記バッテリを放電する手段と、
所定の時間、前記バッテリを放置し、
前記EMFおよび前記SoCを求める手段と、
前記メモリに、前記測定された値を代入する手段と、
を有する機器。 A device according to any one of the preceding claims,
further,
Means for determining the maximum capacity of the battery by charging the battery from a low SoC;
Means for discharging the battery until the SoC drops to a predetermined rate;
Leave the battery for a predetermined time,
Means for determining the EMF and the SoC;
Means for substituting the measured value into the memory;
Having equipment.
前記外挿は、前記緩和過程中に採取された変数のみを用いた外挿モデルに基づき、
得られたEMF値は、クーロン計算から得られたSoCアルゴリズム値とともに,メモリに保管されることを特徴とする請求項17に記載の機器。 The instrument is adapted to predict the EMF value by determining the EMF of the battery by extrapolating the battery voltage taken during the relaxation period after the discharging process;
The extrapolation is based on an extrapolation model using only variables taken during the relaxation process,
The device according to claim 17, wherein the obtained EMF value is stored in a memory together with the SoC algorithm value obtained from Coulomb calculation.
前記機器は、前記けん引バッテリの充電状態を求めるように適合されることを特徴とする電気駆動車両。 An electrically driven vehicle, such as a hybrid vehicle, comprising the device according to any one of claims 13 to 18 and a tow battery,
An electrically driven vehicle, wherein the device is adapted to determine a state of charge of the tow battery.
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